Трудности энергоэффективности в системах водоснабжения и водоотведения
В общем энергопотреблении в системах водоснабжения и канализации населенных мест и производственных объектов более 90% составляют насосные системы для природных, питьевых, производственных и сточных вод, для подачи реагентов и воздуха. В связи с стремительно возрастающими ценами на электричество, газ и нефть во всех странах остро встают вопросы увеличения энергетической эффективности систем водоснабжения и канализации, также их частей.
Этим объясняются ужесточения требований интернациональных и Европейских норм (ISO и EN) как к энергоэффективности, так и к качеству насосного оборудования. Так, интернациональная ассоциация европейских производителей насосов Europump ввела новейшую одобренную схему маркировки насосов. В базе необходимости таковой маркировки лежал факт, что есть огромные различия в энергопотреблении и различного уровня технологического развития на Востоке и Западе Европы. Только 20 % установленных в странах Евро Союза насосных систем были оптимизированы по потребляемой энергии [1].
Разработанная схема энергетической маркировки нацелена на потенциал сбережения энергии, связанный с возрастающим мировым научно-техническим прогрессом. Эта схема описана в добровольческом соглашении под заглавием «Промышленные обязательства», выработанном организацией Europump. В текущее время это соглашение подписали четыре европейских производителя насосов, фаворитные позиции посреди которых принадлежит концерну Grundfos. Эти промышленные обязательства содержат в себе унифицированную схему систематизации, основаны на индексе энергетической эффективности (EEI — Energy Efficiency Index), создаваемом на базе годичного профиля нагрузки и распространяемую на системы с практически схожим профилем нагрузки. Средний насос помещается в категории D и E.
Подписанием соглашения по энергетической маркировке производители насосов обязуются маркировать в дальнейшем все насосы Действующие же на территориях Рф и большинства государств СНГ Строй нормы и правила (СНиП), эталоны, технические условия и другие нормативные и технические документы в области проектирования и строительства насосных станций бывшего СССР не отвечают современным требованиям и условиям. Они требуют коренного конфигурации отдельных положений и внесения новых требований.
Так, а именно, действующий ГОСТ 10428-89. «Агрегаты электронасосные для центробежные скважинные для воды. Главные характеристики и размеры» уже устарел в части главных характеристик и размеров для погружных насосов водозаборных скважин, когда наилучшие забугорные эталоны превосходят по бессчетным показателям.
К примеру, в табл.4. ГОСТ 10428-89 указан насосный агрегат ЭЦВ 4 с производительностью Q = 6,5 м3/ч с напором H = 4 бар, КПД = 38%, поперечник агрегата 95мм. С такими же параметрами по Q и H насос SQE имеет поперечник 74 мм, а КПД = 44 % . Подобных сравнений можно привести и по другим насосным агрегатам. В пособии к СНИП 2.04.02-84 по проектированию автоматизации и диспетчеризации систем водоснабжения обозначено противоречащее основополагающему принципу сбережения энергии всех насосных станций , что «обычно системы автоматического регулирования с регулируемым приводом целенаправлено использовать в насосных установках сравнимо большой мощности (75-100 кВт и выше)». В тоже время все производители насосов делают интегрированных систем автоматизации для всех типоразмеров насосного оборудования.
Таких примеров несоответствия можно привести бессчетное огромное количество с действующими нормативными документами. Внедрение качественных материалов (нержавеющая сталь, бронза, современные полимерные материалы) новых технологий производства позволило достигнуть потрясающих технических черт и высочайшей долговечности главных узлов и деталей насосов.
Внедрение новейших достижений техники и контроль свойства в процессе производства и на выпуске, также сервисное сервис в процессе использования обеспечивает выпуск насосов, подходящим европейским эталонам: DIN-EN-ISO 9001:1994 и EN 60335, директивам по безопасности устройств (89/392/СЕЕ), напряжению (73/23/СЕЕ), электрической сопоставимости (89/336/СЕЕ), уровню звука (2000/14/СЕЕ), также действующим в СНГ эталонам и нормативам.
Вместе с высочайшим качеством насосов технологическими способностями насосов (регулирование производительности, интегрированные системы автоматизацию, модули управления и др.), методологии рационального выбора насосов стали основой в разработке технических требований к насосному оборудованию и насосным станциям. В базе методики расчета и выбора насосного оборудования, заложенной в старенькых технических нормативных документах, которой сейчас пользуются проектировщики и эксплуатационники, лежат устаревшие подходы. Они базируются, обычно, на выборе насосов из каталогов по за ранее определенным расходу (Q) и давлению (H) и фактически не рассматривают комплексно насосную систему, как связанную бессчетными технологическими и экономическими аспектами с системой водоснабжения и водоотведения в целом. Экономические же аспекты, такие как цена актуального цикла, расход электроэнергии, строк полезного использования, также аспекты надежности оборудования — срок службы, межремонтный период и др. не анализируются за прогнозный период работ. Эти аспекты сейчас определены в ряде в интернациональных нормативных документах, из которых следует выделить «Пособие по анализу цены актуального цикла насосов», разработанного в 2001 г. институтом Гидравлики США, и ассоциацией Europump [2].
Количество энергии и материалов, применяемых насосной системой, зависят от вида насоса, вида установки и метода эксплуатации системы. Эти причины взаимоувязаны. Более того, они должны быть кропотливо подобраны друг к другу, обеспечивая в течение собственной работы меньшее потребление энергии, меньшие эксплуатационные издержки, другие достоинства.
Анализ цены актуального цикла является инвентарем, позволяющим минимизировать величину издержек, максимизировать энергоэффективность насосных систем, также понизить количество выбросов и содействовать сохранению природных ресурсов Основными составляющими анализа цены актуального цикла обычно являются: начальная цена установки, издержки на электроэнергию, эксплуатационные расходы, цена ремонта и др. Используя как инструмент сопоставления меж вероятным вариантом и другим, анализ цены актуального цикла позволяет выявить более действенное относительно издержек проектное решение в рамках имеющихся данных.
Действующие насосные системы предоставляют больше способностей для сокращения энергозатрат при анализа цены актуального цикла по сопоставлению с новыми системами по двум причинам. Во-1-х, в текущее время база работающих насосов более чем в 100 раз количества устанавливаемых новых каждый год. Во-2-х, многие из имеющихся систем имеют насосы либо средства регулирования уже не удовлетворяют изменившимся за время их работы условиям. Проведенные исследования проявили, что сохранение потребляемой энергии насосами может составлять более, чем 30%, методом конфигураций в оборудовании либо системе управления. Анализ цены актуального цикла, как для нового оборудования, так и для модернизируемого, просит оценки вариантов других систем. Для большинства оборудования, цена энергии и эксплуатационные расходы в течение жизни оборудования превосходят другие составляющие цены актуального цикла. Потому принципиально точно найти текущую цена энергии, ожидаемый каждогодний рост цен на энергию в течение оцениваемого периода, вместе с ожидаемой ценой технического обслуживания и материалов.
Для проведения оценки насосов либо другого оборудования, должны быть проведено обследование насосных систем и собрана достоверная информация относительно ее эксплуатации. Внедрение неверной либо неточной инфы приводит к получению неточных результатов. Насосные системы, обычно, имеют срок использования от 15 до 20 лет. Некие издержки имеют место в самом начале их эксплуатации, другие возникают в различное время эксплуатации. Потому нужно найти текущую либо дисконтированную цена цены актуального цикл, чтоб точно оценить разные варианты.
Этот анализ связан с оценками, которые охарактеризовывают элементы системы, а конкретно — сопоставление разных видов насосов, средств контроля и управления. Нужно также учесть эксплуатационные издержки, либо цена запасных частей и принадлежностей, которые поставляются при покупке оборудования. Следует также обусловиться с технологической схемой насосной системы. Чем меньше поперечник труб, тем меньше их цена и арматуры, также строительства и монтажа. Но, наименьшие поперечникы требуют более массивных насосов, что приводит к более высочайшим инвестициям на их приобретение и соответственно затратам. К тому же наименьшие размеры труб на входе насоса в итоге роста гидравлических утрат уменьшают кавитационный припас насоса, что востребует внедрения более массивного насоса и соответственно дорогого.
Следует оценивать и качество оборудования относительно материалов с разными чертами износостойкости или других черт, которые наращивают срок службы насоса. Это может сказаться на более больших начальных издержек, но понизит цена актуального цикла. В процессе проектирования более сложным является сравнительная оценка стоимостных черт насосного агрегата (насоса+электродвигателя) к потребностям системы, обусловленной переменными режимами работы в большенном спектре требуемой производительности и давления. Не считая того, со временем могут возрасти утраты напора в трубах, как из-за роста их сопротивлений в связи с зарастанием, так вероятным повышением расхода. Потому проектировщики с целью гарантированной работы насосной системы устанавливают с припасом насосное оборудование, характеристики которого могут существенно превосходить требования, установленные для его работы в обычных критериях. Это приводит к повышению расходов на материалы, установка и эксплуатацию.
Количество потребляемой энергии, материалов и оборудования систем водоснабжения и канализации зависят от типа насоса, вида установки, режимов работы и методов эксплуатации. Эти причины взаимоувязаны и должны быть кропотливо подобраны друг к другу, обеспечивая в течение собственной работы меньшее потребление энергии и меньшие эксплуатационные издержки, другие достоинства. Начальная стоимость приобретения является малой частью цены актуального цикла для обширно используемых насосов. Хотя требования по эксплуатации могут время от времени перевесить решения относительно цены энергии, но все еще можно отыскать наилучшее решение. Правильное проектирование насосной системы является более принципиальным элементом минимизации цены актуального цикла.
Все насосные системы состоят из насоса, мотора, установленных труб, средств контроля, и все эти элементы должны рассматриваться персонально. Верный проект учитывает взаимодействие насоса с остальной системой и рассчитывает точку(и) работы. Должен проводиться расчет черт системы труб для определения требуемого насоса. Это применяется как для обычных систем, так и для более сложных (разветвленных) систем. При проектировании новых насосных систем их оптимизации может обеспечить экономию цены и энергии 20-50%. Больший эффект может быть получен на новых насосных системах ввиду того, что в проектах насос может быть включен как одной из переменных составляющих оптимизации. К огорчению, инженеры-проектировщики из-за ограниченности финансирования и времени, употребляют в главном обычный подход, при котором решаются задачки гидравлического расчета насосных систем с данными параметрами (расходом и давлением) и не имеют способности улучшить проекты.
Наличие большого числа переменных в сложных насосных системах делает такую оптимизацию фактически неосуществимой, даже с внедрением современных способов гидравлического анализа на компьютерах. При классическом подходе проектировщик проводит технологический анализ насосных систем с применением формул и способов вычисления, после этого выполняются калькуляционные расчеты. Определяются размеры трубопроводов, запорно-регулирующей арматуры и т.д., а потом делается подбор насосов. Технический анализ выполняться для исследования режимов работы насосной системы. Таковой анализ более применим для оценки работы имеющейся насосной системы либо проекта.
Даже при помощи современного программного обеспечения гидравлического моделирования, когда имеется возможность подбора разных конфигураций труб и насосов на компьютере, проектировщиками очень изредка делается сопоставление их стоимостных характеристик. Следует также отметить, что при проектировании обычным подходом, нехарактерно рассматривать особенности эксплуатационных режимов работы насосных систем. В дилемме действенного использования электроэнергии особенное место занимают вопросы внедрения регулируемого электропривода насосов средством использования устройств, изменяющих число оборотов зависимо от рационального технологического режима их работы. Обоснованность правильного выбора того либо другого метода регулирования и определенного оборудования должна обусловятся точной методологией расчета экономических характеристик эффективности методом сопоставления разных вариантов. Облегченный подход нередко приводит к неоправданным техническим решениям и низкой эффективности внедрения установок регулируемого электропривода.
Понятно, что сам по для себя регулируемый привод не может дать значимой экономии электроэнергии. Тут должен решаться целый комплекс вопросов, связанных сначала с определением хороших технологических режимов работы соответственного оборудования и внедрением системы автоматического управления с внедрением регулируемого электропривода, который является главным элементом этой системы. Для систем водоснабжения и канализации соответствующим является наличие различных технологических процессов забора, подготовки, хранения, подачи и рассредотачивания воды, также сбора, отвода и чистки сточных вод, которые нужно учесть при разработке схемы управления [3]. В сложных процессах био чистки сточных вод немаловажное значение получают вопросы режимов работы насосных агрегатов. Расход электронной энергии находится в зависимости от производительности очистных сооружений, использованной технологии, выбора сооружений в особенности для аэрации и смешивания сточных вод, от использованной автоматики. Экономия электроэнерги почти во всем находится в зависимости от правильного технологического режима работы насосных агрегатов. В особенности это принципиально для систем био чистки сточных вод с биореакторами SBR, где действенная работа сооружений в целом находится в зависимости от насосов, обеспечивающих наполнение и опорожнение биореакторов [4].
На насосных станциях, обычно, регулируемым параметром управления является давление на напорном трубопроводе либо в диктующей точке водопроводной сети, а в отдельных случаях может быть уровень воды в резервуаре либо расход воды в водоводе. Главные задачки систем автоматического управления состоят в минимизации электропотребления, исключении лишнего давления, поддержании требуемого давления в контрольных точках, обеспечении защиты насосов от небезопасных режимов работы агрегатов, обеспечении плавных пусков и остановок насосов. Соответственно, технологические и экономические расчеты должны все это учесть. Для определения и выбора количества и мощностей регулируемых и нерегулируемых насосов нужно сделать технико-экономическое обоснование, как для вновь проектируемых, так и для модернизируемых объектов.
Так, при реконструкции насосных станций за счет внедрения регулируемого привода может быть уменьшение полного количества насосных агрегатов за счет роста их мощности либо внедрения насосов типа «инлайн», что позволяет понизить серьезные издержки на строительство построек насосных станций. Практическая реализация проектных решений вероятна исключительно в ограниченном числе других вариантов, характеризуемых определенными значениями разыскиваемых характеристик. Конкретно посреди этих реальных вариантов нужно найти и принять наилучший по избранному аспекту Сейчас существует острая потребность в разработке информационных оптимизационных технологий, которые бы при помощи компьютера автоматизировали процесс выбора насосных систем с малой ценой и потреблением электроэнергии.
Основная задачка оптимизации насосных систем — достигнуть определенной цели проекта, которая зависимо от местных критерий и требований (ограничений) заказчика может быть различной: минимизировать цена, энергию либо риск, либо максимизировать производительность, безопасность либо надежность. Разработка оптимизации состоит из алгоритмов математических процедур, в каких поисковые способы циклически изменяют проект, приводя его к поставленной цели. Чтоб производить способы оптимизации в проекте требуется высоко надежный и в вычислительном отношении действенный инструмент программного обеспечения гидравлического расчета насосной системы. Этот инструмент является главным стержнем общего метода, к которому по определенным оптимизационным способам должен обращается программный комплекс.
Этот метод может соединять воединыжды имеющиеся системы программного обеспечения (к примеру, программки для гидравлических расчетов систем водоснабжения: «WELLS» [3], ГРСПВ [5], FluidFlow [6], «Гидросистема» [7], PIPE-FLO 2007[8] и др., компьютерные программки для моделирования процессов чистки сточных вод: BioWin (канадской компании EnviroSim Associates Ltd.),GPS-X и SimWorks (канадской компании Hydromantis Inc.), SIMBA 5 (германской компании IFAK), с современной технологией оптимизации, чтоб практически для насосной системы, которая отвечает требованиям проекта, найти наименьшую цена. Невзирая на большущее развитие техники программирования компы в проектировании в особенности очистных сооружений являются новым инвентарем, который фактически только с недавнешнего времени работает в инженерной отрасли чистки сточных вод.
Компьютерное проектирование просит только огромную тщательность в задании начальных данных и скорость решения задач либо вычислений. Большая достоинство компьютерного моделирования в том, что в тракте опыта можно факультативно разнообразить разными характеристики и проверить, как вся система реагирует на конфигурации наружной обстановки. Модельные исследования очень трудоёмкие и дорогостоящие. Отсюда появляется необходимость кропотливого осмысления и планирования заданий моделирования. Экономические расчеты должны определять надлежащие издержки, являющиеся основой оптимизации. Перед выполнением оптимизации нужно найти цель, потому что насосная система может быть оптимизирована исходя из минимизации либо ее цены либо цены актуального цикла.
Перечень литературы:
[1] Андерсен Х.П. Европейские соглашения по энергетическим эталонам насосов. «Danish Board of District Heating». 2005
[2] Pump life cycle costs: A guide to LCC analysis for pumping systems, Europump and Hydraulic Institute, 2001.
[3] Гуринович А.Д. Системы питьевого водоснабжения с водозаборными скважинами. Минск: Технопринт, 2004, 247 с.
[4] Гуринович А., Денис Л. (2006) .Декантация очищенных сточных вод в SBR-реакторах. Городское хозяйство, № 10, Минск,. С 13 -16
[5] Гуринович А.Д., Копылов А.С. Автоматизация управления хорошими режимами работы скважинных погружных насосов GRUNDFOS на водозаборах подземных вод. «Вода»/ 2005. №3 С.12-16.
[6] Орельян И.Н. Гидравлические расчеты с FluidFlow. http://www.fluidflowinfo.com.
[7] НТП «Трубопровод» выпускает новое поколение программ гидравлического расчета. http://www.truboprovod.ru/
[8] PIPE-FLO® , http://www.eng-software.com/company.aspx
Баулин А.Ю., Гуринович А.Д.